大功率機(jī)電伺服IGBT熱仿真

徐志書 李光學(xué) 岳宗帥 李東東 武佳樂

摘要

本文針對(duì)大功率機(jī)電伺服應(yīng)用的英飛凌絕緣柵雙極性晶體管（IGBT）模塊，分析了IGBT熱功耗的數(shù)學(xué)模型，并結(jié)合仿真軟件針對(duì)機(jī)電伺服實(shí)際工況對(duì)工GBT的功耗進(jìn)行了熱仿真，并對(duì)實(shí)際情況進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

【關(guān)鍵詞】大功率機(jī)電伺服 絕緣柵雙極性IGBT 熱仿真

1 引言

絕緣柵雙極性晶體管QGBT）是大功率機(jī)電伺服核心功率器件。自20世紀(jì)80年代出現(xiàn)以來，涵蓋了600～6500V的電壓范圍和1～3600A的電流范圍。隨著機(jī)電伺服功率等級(jí)越來越高，IGBT的工作電壓、電流也越來越大，對(duì)IGBT的熱分析也顯得越來越重要。本文對(duì)IGBT模塊的熱數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了分析，并以某項(xiàng)工程實(shí)際工況對(duì)IGBT進(jìn)行了熱仿真分析，并通過實(shí)際試驗(yàn)進(jìn)行了IGBT溫度測(cè)量進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。

2 IGBT模塊散熱計(jì)算方法

IGBT模塊總耗散功率為：

2.1 單IGBT核的導(dǎo)通與開關(guān)損耗單IGBT核的導(dǎo)通損耗為：

其中：

其中τ（t）為開關(guān)函數(shù)

由上述公式可得：

其中m為調(diào)制率。

單IGBT核的開關(guān)損耗為：

其中，V_dc為母線電壓波動(dòng)值.

2.2 單diode cell的功耗計(jì)算

根據(jù)IGBT cell的推算過程，同理可推出Diode的

2.3 IGBT模塊引線電隊(duì)損耗

其中其中對(duì)于材料銅，α=3.58e-3k^-1（10）

3 IGBT模塊散熱仿真

針對(duì)某伺服控制驅(qū)動(dòng)器所配套的30kw級(jí)機(jī)電伺服系統(tǒng)，其所用的功率IGBT為FS300R12OE4，根據(jù)被控電機(jī)的反電勢(shì)系數(shù)、轉(zhuǎn)矩系數(shù)可以推算處IGBT的電流、頻率等仿真信息，對(duì)以下三種情況分別進(jìn)行了熱仿真，仿真工況及仿真結(jié)果分別如圖1、圖2、圖3所示：

（1）勻速1454rpm，負(fù)載轉(zhuǎn)矩在0-10S（s代表時(shí)間國(guó)際單位秒），內(nèi)均勻增加至16N.M，持續(xù)時(shí)間50s，然后在10s內(nèi)勻減至0N.M（輕度負(fù)載特性）。

（2）勻速2432rpm，負(fù)載轉(zhuǎn)矩在0-10S內(nèi)均勻增加至28N.M，持續(xù)時(shí)間50s，然后在10s內(nèi)勻減至0N.M（重度負(fù)載特性1）。

（3）勻速4590rpm，負(fù)載轉(zhuǎn)矩在0-10s內(nèi)均勻增加至24N.M，持續(xù)時(shí)間50s，然后在10s內(nèi)勻減至0N.M（重度負(fù)載特性2）。

工況一仿真結(jié)果如圖1所示。

工況二仿真結(jié)果如圖2所示。

工況三仿真結(jié)果如圖3所示。

4 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

針對(duì)上述工況，針對(duì)某型伺服系統(tǒng)在測(cè)功機(jī)上進(jìn)行了實(shí)際試驗(yàn)，試驗(yàn)過程中在IGBT下埋熱電偶，記錄熱電偶起始時(shí)刻、60s、結(jié)束時(shí)刻溫度并記錄，與IGBT仿真結(jié)溫對(duì)比見表1。

從仿真結(jié)果可以看出，前60s產(chǎn)品實(shí)際溫度要低于仿真溫度，原因在于IGBT核的溫度要高于IGBT模塊底部（熱電偶位置）溫度，在試驗(yàn)結(jié)束第70s，實(shí)際工況溫度要高于仿真溫度，原因在于實(shí)際試驗(yàn)過程沒有加專門的散熱器，前60s產(chǎn)生的熱量沒有及時(shí)散出去，與60s～70s時(shí)間端產(chǎn)生的熱量在一起使得IGBT溫度高于仿真溫度。

5 總結(jié)

本文對(duì)大功率IGBT的熱仿真進(jìn)行了分析與仿真，并根據(jù)仿真工況進(jìn)行了實(shí)際工況試驗(yàn)并進(jìn)行了對(duì)比與試驗(yàn)結(jié)果分析，本文對(duì)大功率IGBT的工程應(yīng)用具有重要指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]汪波，羅毅飛，張爍，劉賓禮.IGBT極限功耗與熱失效機(jī)理分析[J].電工技術(shù)學(xué)報(bào)，2016，31（12）：136-140.

[2]D.Srajber，W.Lukasch：Thecalculation of the power dissipationfor the IGBT and the inverse diode incircuits with the sinusoidal outputvoltage;electronica '92 Proceedings，pp.51-58.